趙雨軍

(中鐵十五局集團(tuán)城市建設(shè)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

南京作為長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)的發(fā)達(dá)地區(qū)，軌道交通建設(shè)現(xiàn)已進(jìn)入全面發(fā)展階段。預(yù)計(jì)到2020年底，南京將開通總長(zhǎng)約500 km的地鐵軌道交通網(wǎng)，總計(jì)13條線路。然而，地鐵建設(shè)多處于人口密度大的城市主次干道，地鐵深基坑施工不可避免的穿越城市橋梁。地鐵深基坑施工會(huì)造成周邊土體變形[1]，進(jìn)而對(duì)鄰近的橋梁結(jié)構(gòu)造成影響。

影響基坑鄰近高架橋變形的因素有很多，例如基坑開挖深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、基坑施工順序、橋梁基礎(chǔ)形式等[2]。因此，探究地鐵深基坑施工不同參數(shù)對(duì)鄰近高架橋結(jié)構(gòu)變形的影響，對(duì)地鐵深基坑設(shè)計(jì)和施工控制優(yōu)化具有重大意義。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

南京地鐵萬(wàn)壽站位于南京棲霞大道與經(jīng)五路交匯路口處，7號(hào)線萬(wàn)壽村站沿棲霞大道東西向路北側(cè)設(shè)置，7、6號(hào)線換乘節(jié)點(diǎn)配套工程與7號(hào)線T型交叉，沿經(jīng)五路南北向設(shè)置，下穿緯一路高架橋7#、8#墩。緯一路高架橋位于萬(wàn)壽村站南側(cè)，6號(hào)線車站圍護(hù)樁距離經(jīng)五路跨線橋7#、8#橋墩最近約2.7 m，7號(hào)線車站圍護(hù)樁距離經(jīng)五路跨線橋3#橋墩最近約13 m，同時(shí)高架橋6#、7#墩之間還有地鐵7號(hào)線萬(wàn)壽村站1號(hào)出入口，7號(hào)線、6號(hào)線與緯一路高架橋的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 車站基坑與緯一路高架橋位置關(guān)系

7號(hào)線基坑采用?1 200 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐進(jìn)行基坑支護(hù)，樁間采用?600 mm三重管高壓旋噴樁止水；6號(hào)基坑采用?1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐進(jìn)行基坑支護(hù)，樁間采用?800 mm三重管高壓旋噴樁止水；附屬結(jié)構(gòu)基坑采用?800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐進(jìn)行基坑支護(hù)，樁間采用?600 mm三重管高壓旋噴樁止水。

1.2 緯一路高架橋概況

緯一路高架橋?yàn)榛炷吝B續(xù)梁橋，深基坑影響范圍內(nèi)共有3聯(lián)(0#～9#墩)，第1聯(lián)(0#～3#墩)3×30 m=90 m，第2聯(lián)(3#～6#墩)3×30 m=90 m，第3聯(lián)(6#～9#墩)30 m+45 m+30 m=105 m，高架橋?yàn)殡p向六車道，標(biāo)準(zhǔn)截面橋?qū)挒?5.5 m。

橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，橋墩采用雙柱墩，1#～9#墩除了過(guò)渡段墩及40 m、45 m跨徑箱梁墩身為1.8 m厚，其余均為1.5 m厚；除8#橋墩，其余均采用工字型承臺(tái)，厚2.2～2.5 m。基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)，樁徑為1.5 m。

2 建立計(jì)算模型

建立計(jì)算模型時(shí)，采用MIDAS GTS NX大型巖土有限元分析軟件，土層計(jì)算參數(shù)選取如表1所示，采用修正Mohr—Coulomb本構(gòu)模型，該模型是在摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型基礎(chǔ)上改善的硬化土本構(gòu)模型，適用于基坑、隧道開挖等工程問(wèn)題。其他材料根據(jù)實(shí)際情況采用彈性本構(gòu)模擬。

該模型土體、承臺(tái)、橋墩采用實(shí)體單元模擬，橋樁、支撐、冠梁采用梁?jiǎn)卧M，基坑圍護(hù)樁通過(guò)等

表1 土層計(jì)算參數(shù)選取

效剛度轉(zhuǎn)換為地連墻板單元模擬。模型底部固定約束，側(cè)面滑動(dòng)約束，共計(jì)195 633個(gè)單元。三維空間計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 三維空間模型

為在計(jì)算模型中考慮樁土耦合作用，土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、橋樁樁體的接觸面采用界面單元(Goodman單元)進(jìn)行模擬。在混凝土結(jié)構(gòu)與土體接觸界面單元的設(shè)置中，通常采用界面單元參數(shù)助手進(jìn)行設(shè)置，選取強(qiáng)度折減系數(shù)0.65得出各層土體與混凝土相對(duì)應(yīng)的法向剛度模量、切向剛度模量、摩擦角及粘聚力。

計(jì)算工況和實(shí)際工況對(duì)應(yīng)，先施工7號(hào)線基坑，分7層開挖共計(jì)26 m，后施工6號(hào)線基坑，分5層開挖共計(jì)17 m，最后施工出入口通道。不考慮基坑開挖時(shí)間對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[3]。

3 各種工況下的高架橋墩頂位移

3.1 不同排樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)

6號(hào)線車站基坑排樁混凝土以C35為基準(zhǔn)，依次將排樁混凝土改為C25、C30、C40，針對(duì)距離最近的7#橋墩墩頂位移沉降變化曲線，研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化對(duì)鄰近橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響，如圖3～圖5所示。由圖3～圖5計(jì)算結(jié)果可以看出：

圖3 不同混凝土強(qiáng)度下7#墩頂沉降變化量

圖4 不同混凝土強(qiáng)度下7#墩頂縱橋向位移變化量

圖5 不同混凝土強(qiáng)度下7#墩頂橫橋向位移變化量

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25時(shí)，6號(hào)線基坑開挖結(jié)束后，7#墩頂位移最大，其中沉降量為-3.01 mm，縱橋向水平位移量為0.06 mm，橫橋向水平位移量為2.63 mm。

(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，墩頂沉降越小，縱橋向水平位移量越小，橫橋向水平位移量也越小。

(3)計(jì)算結(jié)果表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化對(duì)鄰近高架橋墩頂位移影響不大。

3.2 不同排樁樁徑與樁間距

6號(hào)線車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)以?1 000 mm@1 200 mm為基準(zhǔn)，依此將圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)改變?yōu)?800 mm@1 000 mm，?1 000 mm@1 000 mm，?1 200 mm@1 300 mm，按彎剛度相等原則將圍護(hù)樁分別等效厚度為0.621 m、0.821 m、0.979 m的地連墻，針對(duì)距離最近的7#橋墩墩頂沉降變化曲線，研究排樁樁徑與樁間距對(duì)鄰近橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響，如圖6～圖8所示。由計(jì)算結(jié)果可知：

圖6 不同樁徑和樁間距下7#墩頂沉降變化量

圖7 不同樁徑和樁間距下7#墩頂縱橋向位移變化量

(1)排樁樁徑與樁間距為?800 mm@1 000 mm時(shí)，6號(hào)線基坑開挖結(jié)束后，7#墩頂位移最大，其中沉降量為-3.00 mm，縱橋向水平位移量為0.04 mm，橫橋向水平位移量為2.65 mm。

圖8 不同樁徑和樁間距下7#墩頂橫橋向位移變化量

(2)排樁等效厚度越大，墩頂沉降越小，縱橋向水平位移量和橫橋向水平位移量也越小。

(3)計(jì)算結(jié)果表明，排樁樁徑與樁間距變化對(duì)鄰近高架橋墩頂位移變形影響較小。

3.3 第3層鋼支撐不同剛度

通過(guò)改變6號(hào)線車站基坑第3層Q235鋼支撐剛度研究基坑開挖對(duì)鄰近高架橋的影響，分別選取0.5倍EA、2倍EA、4倍EA及原剛度，對(duì)比分析不同支撐剛度下鄰近高架橋7#橋墩墩頂?shù)奈灰谱冃我?guī)律，如圖9～圖11所示。由計(jì)算結(jié)果可知：

圖9 不同鋼支撐剛度下7#墩頂沉降變化量

圖10 不同鋼支撐剛度下7#墩頂縱橋向位移變化量

(1)第3層鋼支撐剛度為4EA時(shí)，6號(hào)線基坑開挖結(jié)束后，7#-1墩頂位移最小，其中沉降量為-2.77 mm，縱橋向水平位移量為0.04 mm，橫橋向水平位移量為2.59 mm。

圖11 不同鋼支撐剛度下7#墩頂橫橋向位移變化量

(2)第3層鋼支撐剛度越大，墩頂沉降越小，縱橋向水平位移量和橫橋向水平位移量也越小。

(3)計(jì)算結(jié)果表明，增大支撐剛度對(duì)鄰近高架橋墩頂位移控制是有利的。

3.4 基坑不同開挖順序

萬(wàn)壽村地鐵車站由4片基坑區(qū)域組合而成，存在基坑開挖先后順序，而相鄰基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)與單獨(dú)基坑施工情況有所不同，相鄰基坑的開挖順序?qū)?huì)對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移變形產(chǎn)生不同影響。計(jì)算工況選取為6號(hào)線車站基坑開挖置于7號(hào)線車站基坑開挖前，或選取7號(hào)線車站基坑開挖置于6號(hào)線車站基坑開挖前，然后依次開挖1號(hào)出入口基坑、2號(hào)出入口基坑。計(jì)算分析相鄰基坑開挖順序變化對(duì)鄰近高架橋結(jié)構(gòu)的位移變形影響，如圖12～圖14所示。由圖12～圖14計(jì)算結(jié)果可以看出：

圖12 不同基坑開挖順序7#墩頂沉降變化量

(1)基坑開挖順序改變后，墩頂位移發(fā)生變化。6號(hào)線車站基坑開挖置于7號(hào)線車站基坑開挖前施工，7#墩頂沉降減小，沉降量為-2.90 mm，縱橋向水平位移向負(fù)向增大，橫橋向水平位移減小，橫橋向水平位移量為2.16 mm。

(2)墩頂位移隨基坑開挖順序改變而不同，將6號(hào)線車站基坑提至7號(hào)線車站基坑前施工，可減小墩頂各向位移。

圖13 不同基坑開挖順序7#墩頂縱橋向位移變化量

圖14 不同基坑開挖順序7#墩頂橫橋向位移變化量

4 結(jié)論

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，墩頂各向位移越小。計(jì)算結(jié)果表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化對(duì)鄰近高架橋墩頂位移影響不大。

(2)排樁等效厚度越大，墩頂各向位移越小。計(jì)算結(jié)果表明，排樁樁徑與樁間距變化對(duì)鄰近高架橋墩頂位移變形影響較小。

(3)第3層鋼支撐剛度越大，墩頂各向位移越小。計(jì)算結(jié)果表明，增大支撐剛度對(duì)鄰近高架橋墩頂位移控制是有利的。

(4)墩頂位移隨基坑開挖順序改變而不同，將6號(hào)線車站基坑提至7號(hào)線車站基坑前施工，可減小墩頂各向位移。